Entwicklung eines vielseitigen, aus mehreren Materialien bestehenden EV-Batteriegehäuses

Continental Structural Plastics hat einteilige, formgepresste Verbundabdeckungen, ein innovatives Befestigungssystem und eine Reihe von Materialoptionen entwickelt, um den OEM-Anforderungen gerecht zu werden.

Da sich die Automobilhersteller auf den Übergang zu einem Markt für vollelektrische Fahrzeuge in naher Zukunft (bis 2035 für General Motors) konzentrieren, müssen Komponenten für Elektrofahrzeuge (EV) in höheren Stückzahlen produziert werden. In der Welt der Verbundwerkstoffe machen das relativ geringe Gewicht, die höhere Festigkeit und die Wärmebeständigkeit vieler Verbundwerkstoffe sie zu einer zunehmend attraktiven Alternative zu Metall, insbesondere für EV-Batterieabdeckungen, und CW informiert sich weiterhin über neue Bemühungen, effizientere und leichtere Batterieabdeckungen aus Verbundwerkstoffen zu entwickeln (siehe aktuelle Beispiele eines von Evonik geführten Konsortiums und TRB Lightweight Structures).

Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, USA) liefert seit fast einem Jahrzehnt formgepresste Batterieabdeckungen aus Verbundwerkstoffen für Elektrofahrzeuge, seit das Unternehmen zum ersten Mal mit der Lieferung von oberen und unteren Batteriekästen für den Chevrolet . begann Spark im Jahr 2012. Seitdem sind die Batterieabdeckungen des Unternehmens immer beliebter geworden und auch in ihrer Größe – aktuelle Abdeckungen können 1.5 x 2 Meter oder größer sein. „Akkuboxen sind jetzt definitiv einer unserer Schwerpunkte, da wir derzeit mehr als 30 verschiedene Abdeckungen in der Produktion haben“, sagt Hugh Foran, Executive Director bei CSP. Er prognostiziert, dass batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) in den nächsten zehn Jahren oder länger im Fokus der Automobilhersteller stehen werden, auch wenn auch Technologien für Wasserstoff-Brennstoffzellen anlaufen.

Foran sagt, dass eines der größten Probleme, die OEMs mit Metallbatteriekästen haben, und warum sie zu Unternehmen wie CSP kommen, um Composite-Optionen zu erkunden, Leckagen ist: „Ob Sie es glauben oder nicht, sie können U-Boote bauen, die auf den Grund des Ozeans gehen.“ die nicht auslaufen, aber anscheinend gibt es Probleme bei der Herstellung von Metallbatteriekästen, die nicht auslaufen.“

In den letzten zwei Jahren haben CSP und die Muttergesellschaft Teijin Ltd. (Tokio, Japan) begonnen, sich neben der Lieferung der oberen Abdeckungen und unteren Schalen auf die Entwicklung vollständiger Batteriegehäuse aus mehreren Materialien zu konzentrieren. „Als eines der ersten Programme in unserem neuen Advanced Technologies Center [Auburn Hills] haben wir die Formwerkzeuge mit Produktionsformenstahl (P-20) entworfen und gebaut und dann mit der Formulierung verschiedener Materialien und unterschiedlicher Verfahren begonnen, um nicht nur die Formen, sondern die Teile selbst“, sagt Foran. „Wir haben umfangreiche Tests durchgeführt. Wir haben unsere eigenen Crashtests bei GH Craft in Japan, also haben wir die verschiedenen Rahmen evaluiert und das Boxdesign etwas modifiziert, einschließlich einiger mehr Rippen, um mehr Struktur zu verleihen.“ CSP hat auch mit seinen Lieferanten an verschiedenen Preforms und Glasfasermaterialien gearbeitet, um sie in die Boxen zu integrieren, sowie mit Batterielieferanten, um das vollständige Gehäuse auf thermische Durchgehensanforderungen und die Bewertung unter Last testen zu können.

Der Multimaterial-Batteriegehäuse-Demonstrator von CSP demonstriert die Fähigkeit des Unternehmens, alle für ein Batteriegehäuse erforderlichen Komponenten, einschließlich der Montage, in einer Vielzahl von Materialien nach Kundenwunsch herzustellen.

Im Dezember 2020 stellten CSP und Teijin einen Demonstrator in Originalgröße ihres Multimaterial-EV-Batteriegehäuses vor, für das das Unternehmen als Finalist für die 2021 bekannt gegeben wurde Automotive News PACE-Pilotenpreis. Laut Foran arbeitet CSP derzeit auch mit vier OEMs an Designs für vollständige Batteriegehäuse.

Multi-Material-Optionen für ein leichteres Gehäuse

Ein Zweck beim Bau des Demonstrators eines kompletten Batteriegehäuses, so Foran, bestand darin, neue Technologieoptionen zu erkunden, um sie mit Kunden zu teilen, einschließlich der Verwendung verschiedener Materialien und Abdeckungen, die je nach Anwendungsanforderungen in unterschiedlichen Dicken und Formen geformt wurden.

Neben der Batterie umfasst das Gehäuse selbst mindestens drei strukturelle Komponenten: eine relativ dünne obere Abdeckung aus Verbundwerkstoff, eine dickere und stärker strukturierte Bodenwanne aus Verbundwerkstoff und einen metallischen leiterförmigen Rahmen, um die Batterien im Inneren der Box zusätzlich zu stützen. Als Referenz ist der Großteil des Gewichts einer Batterierückseite die Batterien selbst, die bis zu 1,000 Pfund wiegen können. CSP hat auch einen energieabsorbierenden Strukturschaum-Innenrahmen entwickelt, der für einen höheren Crash-Aufprallschutz verwendet werden kann.

Die Komponenten der oberen Abdeckung und der unteren Schale werden mit der 4,000-Tonnen-Presse von CSP formgepresst. Um die Montage zu erleichtern, hat CSP beide Komponenten als einteilige Strukturen konzipiert, in die alle Merkmale eingegossen sind. Zur Befestigung sind keine Dichtmittel oder Durchgangslöcher erforderlich.

Derzeit hat CSP fünf Verbundwerkstoffsysteme für den Einsatz in seinen oberen Abdeckungen und Bodenwannen entwickelt: feuerbeständiges ATH, das in einer traditionellen Sheet Molding Compound (SMC) verwendet wird, ein intumeszierendes System für höhere Entflammbarkeitsanforderungen, phenolisch sowie 834E-Vinylester und Snap-Cure-Harze zur Verwendung mit gewebten Materialien und Resin Transfer Moulding (RTM). Je nach Anwendungsanforderung werden den Harzen unterschiedliche Mengen an Glasfasern zugesetzt. Kohlefaser und andere Faserarten können ebenfalls verwendet werden, sagt Foran, obwohl die meisten Kunden Glasfaser als kostengünstigere Option wählen und weil das Glas auch als Isolator wirkt und die Feuerbeständigkeit verbessern kann.

Foran stellt fest, dass je nach Anwendung verschiedene Materialien eingegossen oder nach dem Gießen hinzugefügt werden können, um dem Batteriekasten Funktionen wie EMI- oder RFI-Abschirmung hinzuzufügen. Je nach Einsatzort der Batterie und Art der verwendeten Batterie kann das thermische Durchgehen der Batterien oder eine besonders hohe Feuerbeständigkeit von größerer Bedeutung sein. „Wir haben mehrere Möglichkeiten, jedes dieser Probleme zu lösen“, sagt er. „Es gibt so viele verschiedene Batteriechemien, von teureren Festkörperbatterien, die keine Flüssigkeit enthalten, bis hin zu hochentzündlichen Lithium-Ionen-Batterien will."

Insgesamt berichtet CSP, dass das Batteriegehäuse aus mehreren Materialien etwa 15 % leichter ist als ein Batteriekasten aus Stahl und im Vergleich zu Aluminium eine bessere Temperaturbeständigkeit aufweist.

Innovationen der nächsten Stufe: Clips, Fangkörper, vollständige Montagemöglichkeiten

CSP entwickelt sein Batteriegehäuse-Design sowie sein Leistungsspektrum für Kunden kontinuierlich weiter. Um beispielsweise die Montage zu erleichtern und das Bearbeiten von Löchern oder die Verwendung von Dichtmitteln zum Verbinden der oberen und unteren Abdeckungen von Batteriekästen zu vermeiden, haben CSP und Teijin Ltd. auch ein zum Patent angemeldetes Clipsystem zum Verbinden der oberen und unteren Abdeckungen von Batteriekästen eingeführt mechanisches Schrauben oder Schweißen zu ersetzen. „Je nach Größe können diese Abdeckungen bis zu 70 Löcher zum Anschrauben haben, so dass nicht nur diese Löcher beseitigt werden, sondern auch die Druckbelastung am Befestigungspunkt verteilt wird. Und im Gegensatz zu geschweißten Kästen ermöglicht dies auch, dass die Batterien gewartet werden können“, sagt Foran.

Darüber hinaus arbeitet CSP auch an Fangkörpern auf Verbundstoffbasis, die für zusätzlichen Schutz unter der Batteriebox positioniert werden können. Titan-Aufprallsysteme werden derzeit in einigen Autos verwendet, stellt Foran fest, aber sie suchen nach kostengünstigeren (recycelten) Aramiden und anderen Verbundwerkstoffen und gehen davon aus, dass sie noch in diesem Jahr einen vollständigen Demonstrator für Tests bauen können.

Letztendlich, so Foran, suchen OEMs nach Zulieferern wie CSP, um nicht nur Batterieabdeckungen zu liefern, sondern auch komplette Batterieeinheiten, die alle ihre Qualitäts- und Volumenanforderungen erfüllen. Dies hat dazu geführt, dass CSP sein Batteriegehäuse aus mehreren Materialien entwickelt hat und direkt mit Batterielieferanten zusammenarbeitet, um die vollständigen Batteriegehäuse vor dem Versand zu montieren.

Foran fügt hinzu: „Die Kunden möchten, dass wir alle unsere Abdeckungen auf Dichtheit testen, die vollständigen Batteriepakete aufbauen und diese dann fertig in die Montagewerke schicken. Es macht Sinn: Der Versand einer leeren Kiste mit allen Komponenten separat nimmt mehr Platz in einem Versandcontainer oder LKW ein. Dies ist auch für uns zu einem wichtigen Schwerpunkt geworden.“